机械建模

机械建模（精选九篇）

机械建模 篇1

产品设计是一个有限约束的综合过程, 其中一系列相关约束共同构成设计环境的约束系统, 是支撑产品生命周期中各个视图的问题解空间。约束C是表示设计变量和设计域的一种关系。它作用于设计过程, 并最终影响设计结果。设计约束可以表示为C={X, A}, 其中X是与设计相关联的约束变量, 具有和设计参数相同的属性和功效, 是约束系统和设计之间联系的桥梁;A表示约束的属性, 包括约束范围、作用、大小和类型等。约束可分为系统约束与环境约束两类, 其中系统约束分为功能约束和结构约束, 是贯穿整个设计过程的主要约束路线, 而环境约束是指在产品设计过程中所采用的设计手段, 方法与设计规则。根据约束所起的作用及其内部属性, 又可将约束分为:功能约束、结构约束、关系约束和选择约束。将其形式化表达为如下四元组:C=[Cfn, Cs, Crs, CO]T, 其中, Cf表示功能约束类的变量及其约束;Cs表示结构类的变量及其约束;Cr表示关系类的变量及其约束;Co表示选择类的变量及其约束。在设计信息和约束的抽象中, 由于设计信息的多样性和复杂性, 需要将约束进一步细化。

Cf={Af, Ff};Cs={Es, Ss};Cr={Fr, Sr};Co={Lo, So}。

其中, Af表示与功能属性相关的约束, 表明产品实现的功能;Ff表示与功能行为相关的约束, 表明产品具体能实现的行为。Es表示与产品相关配套设施构成的环境结构形式;Ss表示产品本身的详细形状结构约束形式。Fr表示从功能到结构的关系约束;Sr表示从结构到功能变量之间的约束关系。Lo表示逻辑类约束;So表示选择类型约束。具有多种约束变量的约束系统较为复杂, 为了便于约束管理和约束运算, 将其进行层次划分, 约束分层表达将约束分为上层、中间层和下层, 这是一种自顶向下的设计思想。其中, 上层约束由产品设计过程的前两个阶段需求分析和概念设计中相关信息导出;下层约束表示的是后续定位在零件结构的详细设计视图中的相关信息;而中间层约束主要表达布局设计信息。

2 基本概念

根据布局设计过程中联接与定位的先后关系, 将布局方法归纳为如下三种: (1) 先定位后联接。先布置各个设计单元, 即先将参与布局的设计单元大致位置固定。然后, 再根据产品需求分析视图和概念设计视图中所得到的要求, 进一步细化定出较为具体的设计单元之间的联接方式, 例如, 圆柱旋转副、棱柱移动副、球体旋转副等。 (2) 先联接后定位。先确定设计单元之间的联接方式, 然后再考虑其相互位置关系。 (3) 联接定位。这种方式将定位和联接先后顺序模糊化, 即介于上述两种方法之间。联接方式先不严格固定, 同时兼顾设计单元之间的相互位置关系, 继而最终确定出布局联接定位关系, 得到设计单元的布置方式。

3 求解方法

传统的优化求解方法, 如罚函数法、复合形法、约束变尺度法、随机方向法、简约梯度法、可行方向法等, 都有较为广泛的应用。然而, 随着问题规模和复杂程度的逐渐增大, 传统优化方法易出现局部最优解等的局限性, 为此许多研究人员提出了新的算法。目前研究较多的有专家系统技术, 人工神经网络方法以及各种智能启发式算法, 例如遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索法等。

4 设计要求

通常布局设计有一定的布局目标和要求, 用DR表示。布局设计要求属于产品设计约束中的环境约束, 它包括产品空间体积最小, 布局密度尽可能大, 产品的重心尽可能低, 产品装配性好, 装配路径的花费经济以及布局设计中的其它限定要求和描述等。

5 布局设计模型

在详尽分析了布局设计所涉及的各种因素的基础上, 本文用布局设计模型来描述装配设计阶段的布局设计过程, 简称布局模型, 并将其形式化表示为如下的四元组:LDM=[DU, LC, LS, DR]T。其中, DU为设计单元;LC为布局约束;LS为求解方法;DR为设计要求。

6 产品多层次表达

从产品发展的全生命周期过程来看, 可以得到产品的多层次表达。如下图所示, 产品从需求分析阶段到后期行为阶段是一个特征演化过程。同时, 诸多特征在各阶段相应视图的层次变化中都具有继承性和不完备性, 并且将随着设计过程的细化和推进而逐步趋于完备。其中, 由于产品的形态结构可塑性强, 用户消费心理、产品的美观性、宜人性等因素在设计中摆在相当突出的地位, 因而需求分析阶段的相关特征不容忽视。而功能特征、设计要求则是设计过程进化的动力所在。设计过程的特征演化主要表现在概念设计、布局设计和详细设计阶段特征的产生、继承、变异、抽象、派生、映射以及后期行为阶段的消亡等几个方面。设计方案的选择和循环往复主要发生在这些特征之间。

概括起来, 多视图特征在设计过程中主要表现出下列特点:

(1) 分类层次性。设计过程中的特征多视角性主要涉及三个方面, 即功能需求、结构特性和制造特点。每类特征又可根据设计过程不同环节的需求进一步细化, 形成分类层次结构, 最底层即为实际工程应用中面向不同环节的基本元素。

(2) 相互依赖性。在产品的概念设计阶段基本确定产品的功能需求;在具体化设计阶段, 根据产品的功能要求, 确定产品的结构特性;在详细设计 (工艺设计或可制造性分析) 阶段则根据产品的结构及功能, 产品的批量、技术经济要求及现有的生产条件、包括人员素质, 管理方式, 制造环境和经验习惯等, 确定产品的制造特点。同时, 结构设计必须顾及产品的功能性和工艺性, 这表现为特征间的反馈性。设计过程的循环反复, 正是因果性和反馈性之间协调和统一的具体表现。

(3) 关联多重性。同一功能可以由不同的结构来实现。同一结构又可以表现为不同的功能。如—个外回转面, 既可能是一个支承面, 也可能是一个导向面, 同样, —个导向功能既可由圆柱结构, 也可以用槽结构来实现。此外, 同一结构特征可以用不同的工艺加工方法来形成;反之, 不同的工艺方法可以实现相同的产品功能和结构。这一特点要求设计, 制造过程中不断对功能、结构和制造间进行协调和优化。

(4) 表达同一性。尽管特征有功能、结构和制造的多方面含义。其属性类型及其值域也多种多样, 但其基本的作用对象都是构成特定形状结构的几何形体, 任何的特性归根到底都可具体化为形状的特性以及相应的几何生成方法。

参考文献

[1]郭万林.机械产品全生命周期设计[J].中国机械工程, 2002, (7) .

[2]贾瑞芬, 张翔.优化设计方法的发展与应用情况[J].机电技术, 2003.

机械制图与三维建模课改调查表 篇2

您好！为了完善我院机械制造与自动化专业的专业课程改革，培养大批满足企业生产管理所需的高级技能型的人才，现需要调查贵单位人才需求与使用状况。贵单位在招聘、任用人才方面的经验和要求将为我们人才培养提供宝贵的参考，在此非常感谢您的支持与合作。

山东职业学院

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一、基本情况调查（各题为不定项选择）

请将每题对应选项字母填写在（）中。

()1．贵单位性质A、国有企业B、集体企业C、私营企业D、合资企业E、其它

()2．贵单位认为高职学生在学习《机械制图与三维建模》课程中，应侧重

A、识图读图能力 B、手工绘图能力 C、零件二维绘图能力 D、零件三维造型能力

()3．总体而言，贵单位需要哪类机械专业人才A、技术型B、市场开发型C、管理型

D、生产操作型E、其他（请说明）_______________________________

()4．贵单位认为《机械制图与三维建模》课程对于高职学生工作能力的培养作用是A、不重要B、一般情况C、重要D、非常重要

()5．如果校企合作进行《机械制图与三维建模》课程开发建设，贵单位能够提供的资源

有：A、产品零件图纸 B、产品实物模型 C、产品电子图档 D、学习实践场所

()6．贵单位对职业院校机械专业人才具有机械制图专业英语的要求A、不要求B、一

般C、良好D、较高E、极高

()7.贵单位目前正在使用的绘图与造型软件有： A、AutoCAD B、UG NX C、PRO/E（Creo）

D、CAXA E、CatiaF、中望CAD G、SolidworksH、其它软件

()8.贵单位最急需技术岗位是：A、普通设备操作人员B、钳工、模具装配工 C、产

品检测人员 D、焊工 E、机械绘图员 F、设备维修人员 G、机械设计（CAD）H、机械销售I、数控加工操作J、其他（请说明）_________________

()10．贵单位对机械专业毕业生识图读图能力要求具体是A、零件图的识读 B、装配图的识读C、技术要求与国家标准的识读 D、国外图纸的基本识读

()11．贵公司认为《机械制图与三维建模》课程总课时（两学期）比较合理的是：A、110

课时 B、120课时C、130课时D、140课时以上

()12．贵公司在员工招聘过程中是否会考察学生的机械制图知识与绘图能力

A、必须的 B 偶尔的 C 没有

()13．贵公司目前有没有实行“甩图纸”工程，采用数字化设计与制造技术，实现设计

制造业务流程的集成与协同：A、已实行 B、正在试点C、没有或不需要

14.除此之外，您认为《机械制图与三维建模》课程改革中还有哪些应该注意的问题：

您能够在百忙之中这么热情的支持我们的工作，再次表示感谢！

机械产品中建模设计的技术研究 篇3

【关键词】机械产品；建模设计；策略

1.机械产品中建模设计方法的现状和特点

机械产品具体信息在计算机上的表达会形成一种机械产品的模型。计算机在建模技术中的应用，能够促使直观地更加有效地进行计算机推理和产品模型设计，人工设计技术主要强调的则是建立起交互建模的协作环境，两者的结合能够使设计者在机械产品的建模中充分发挥出创造性思维。

1.1几何模型

线框、实体模型、表面模型等构成了几何模型，几何模型是支持设计的最基本模型。目前在机械产品建模中主要有UG、Pro/E、Solidwork、3Dmax等。UG的加工比较强大，曲面功能也不错，特别表现在复杂曲面； UG的消参功能，半参是UG和Pro/E的最大区别；而Pro/E在进行小的机械产品建模中比较方便，简洁，快速，但是曲面一复杂，Pro/E操作相对麻烦；Solidwork以其易用的操作大幅度地提高设计的效率， 3DMAX主要负责建模中的低模及渲染。

1.2语言模型

把设计问题格式化，强调设计知识结构是语言模型的显著特点。在表达某种明确设计的时候非常重要，并且对以后的基于语义推理都能起到很好的帮助作用。在机械产品建模设计中，用不同的专用语言表达在建模中的重要信息，如结构，动作，行为以及功能等的描述。

1.3特征模型

相对与几何模型，特征模型是几何模型的一个升级。在表现出零部件几何特征的情况下，还能包含很多信息，如几何公差、加工方法、粗糙度等，介于语言模型和几何模型两者之间。对于表达设计的意图显现的更加明显，是CAM集成的基础，但是特征模型也属于低级层次的抽象信息产品，因为主要表现的只是机械产品的零部件信息，不能对更多的设计起到作用。只能详细的描述物体的几何信息，缺乏明显的工程含义，对建模设计中的非几何信息如公差、表面粗糙度、定位基准等不能充分的描述。

1.4图像模型的运用情况

机械产品建模设计中，图像型模型是常用的方式，主要特点是图像模型接近人的思维和推理模式，在提供人机交互环境上起到很大作用，一方面能够促进人创造性思维，使得设计者能够直观的通过绘图而进行技术和设计上的讨论，对于不同的解决方案可以进行更加简单的比较，从而保障建立起所建立空间的立体感觉。

1.5知识模型

机械产品建模设计中，高层次的推理通常会采用知识模型，知识模型能够提供机械产品设计的基本框架。在早期的产品建模阶段存在缺乏精确的、完整的信息要求，并且受到很多方面的限制，属于复杂的、需要展开创造性思维模式的工作，同时也需要更多方面的经验和知识等，而这些重要的信息以及必要的学科知识，用知识型模型来表达就显得非常完善。同样，知识型模型也存在一些问题，如对不完整知识的处理上、知识性模型自身内部相互矛盾的处理上。

2.机械产品建模设计中需要解决的问题

机械产品在并行环境下，早期的设计要考虑到产品整个周期所有因素，主要包括了成本控制，难易程度，以及如何制造和装配。在这个过程中多种学科小组的统一协调、并行的进行产品相关设计非常重要。

2.1协同设计与并行模式设计

机械产品早期的模型大多是不完整的，需要将其与其他模型相互协同设计。要确保相关模型有可装配性、可制造性以及可维护性，这样就能更加方便地在机械产品建模的初期给出更加合理的再设计建议。

2.2如何建模

机械产品建模设计，首先对所要建模的机械产品有充分的了解，建模之前应当考虑如何完成草图；其次明确知道建模所需要的各种数据，在建模过程中要保障产品功能的实现，运用多种建模设计方法，多方面运用各种建模工具；再次对于产品建模中的各种原理要有充分的认识；最后实现机械产品建模设计，从抽象到具体的各个阶段的信息描述。

2.3抽象问题具体化的过程

机械产品建模设计中，要对设计的每一个过程进行分解，使得抽象模型能够具体细化。因为机械产品设计是一个非常复杂的过程，要对设计过程进行描述，需要采用设计过程模型，而这种设计过程模型是工业界真实设计过程的一种抽象，同时又能回答真实设计过程中的问题。在建模过程中，对于领域的确定以及信息的挖掘很重要，而信息的挖掘过程主要就是进行抽象概念具体化的过程。

2.4对于不同的模型如何共享和转换

机械产品早期建模中存在概念化设计的模糊性和不确定性等特点，建模有一点难度，而建模技术属于理论研究阶段，是CAD技术关键内容之一，需要得到重点研究。

商品化CAD软件普遍提供了不同模型之间的转换功能。CAD技术下不同模型之间的转换，在转换结束后能保留原有模型的特征信息，能够方便的进行进一步的特征编辑和修改，能够实现多种商品化CAD软件的模型转换。在机械产品建模设计中，要广泛地运用CAD等技术完成不同模型之间的转换。

对协同设计与并行模式设计的研究、抽象问题具体化的过程、对对于不同的模型如何共享和转换的研究都是目前机械产品建模中必须要解决的重要问题。

3.机械产品中建模设计技术发展趋势

3.1模型的统一和模型的转换在机械产品建模中越来越重要

并行设计的功能集成要求产品建模部门在时间上空间上共享产品模型，并行设计的过程中，产品的各种信息要更加快速准确的相互转化，要适应不断修改，所以机械产品建模设计的过程中，要保持与一个动态产品信息模型相互交换数据，并贯穿设计的始终。

3.2智能支持技术在机械产品建模系统中的应用

机械产品初期设计中涉及到诸多学科和很多设计者的经验，甚至包括设置具体方案、设置重要流程以及设置原理图等，这些问题一般很难建立起准确的数学模型，更难用简单的数值方法进行解决，这些问题需要用创造性思维模式和发散性思维模式去解决，无论是创造性思维模式还是发散性思维模式都必须要建立在实践和经验的基础上去进行分析、判断和思考。机械产品建模初期设计的过程中，智能支持技术成为研究的重要课题。

3.3并行产品的建模设计必须考虑到网络分布、异地等因素

机械产品建模在并行环境中要更多的考虑到很多因素，如网络因素、计算机因素、操作系统因素、分布式数据库因素等，要将这些因素集中起来，建造一个良好的，能够适应计算机网络的并行环境；让不同区域，不同空间，使用不同的子系统的各种学科的成员们都能集中起来，达到一个协同设计的效果。这种异地、分布以及建立起的良好并行环境，对于不同领域、不同学科设计人员进行机械产品建模设计时能更加迅速、准确、有效的获取更多需求的信息，同时也能达到一个信息共享的效果。

4.总结语

随着智能支持技术在机械产品建模系统中的广泛应用，模型的统一和模型的转换在机械产品建模中越来越重要；未来机械产品建模设计技术应该是在网络的基础上，对于异地并行进行支持、并且能协同机械产品建模中的其他环节，这是面向产品生命周期设计的新模式。

【参考文献】

[1]任怀伟，黄克正，孙晓燕，张勇.概念设计中的三维公差与结构同步设计研究[J].中国机械工程，2008（02）.

[2]岳建鹏，尹文生，吴俊军，周济.并行环境下广义装配设计的集成框架[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001（04）.

[3]成经平.自上而下的机械产品数字化建模研究[J].黄石高等专科学校学报，2000（04）.

机械产品概念设计过程模型建模探讨 篇4

随着科学技术的飞速发展, 制造业的每个企业都面临着持续多变和难以预测的全球化的市场竞争。市场对产品的功能要求口益增多, 更新换代速度加快, 总之, 对新产品的T, Q, C, S, E (T:Time to market, 最短的上市时间;Q:Quality, 最好的质量;C:Cost最低的成本;S:Service, 最优的服务;E:Environment, 最清洁的环境) 提出了更严格的要求在产品设计的早期阶段, 由于对设计人员的约束相对较少, 具有较大的创新空间, 因此, 产品概念设计是产品设计中最为关键的技术, 是产品开发过程中最具创造性的阶段, 正受到国内外研究学者越来越多的重视, 这一阶段对整个设计制造过程有举足轻重的影响。

2 基于设计特征的机械产品概念设计过程模型

2.1 机械产品设计过程的一般描述

设计过程通常分为产品计划、概念设计和详细设计三个基本阶段进行, 各阶段的主要任务如下:

产品计划阶段通过市场调研, 或根据用户的要求等, 制定设计任务。这一阶段对最后设计要完成的设计要求的说明和定义是必要的, 它的结果是一份详细的关于所设计的产品的说明书 (设计任务清单) 。

方案设计阶段通过对设计要求的分析。将产品功能分解成若干子功能, 寻找各子功能的可行方案, 并加以综合, 建立产品的功能结构模型 (概念模型) , 作出方案的草图。在概念模型中, 包含了设计师所使用的专业知识和相关知识 (总称设计知识) , 以及基于这些设计知识而定义的设计关系和设计约束。

参数化基础图形设计阶段通过功能一作用原理一结构的对照关系, 选择合适的结构, 将概念模型分解成若干个可实现的部件, 并进一步确定产品中关键部件的关键作用表面以及各主要零部件间的约束关系, 建立约束网络模型, 分别进行约束求解。

详细设计阶段根据产品基础图形, 建立几何特征约束网络模型, 分别进行约束求解, 利用几何特征细化基础图形, 从预定义的特征库中, 调出相应的特征, 添加到基础图形上指定位置, 与基础图形进行并、交、差等运算, 确定零件的详细几何形状及其拓扑关系, 并包括从基础图形中继承的尺寸、精度、材料及其它信息, 详细设计的结果是产品完整的零件图。

2.2 基于设计特征的设计过程模型

2.2.1功能和设计特征在概念设计中起着核心作用。由图可以看出, 产品概念设计从分析产品设计需求开始。对这些设计需求抽象化, 目的是为了确定产品的总功能。

2.2.2各种功能的实现都是在以自然科学原理为指导的技术实施的基础上实现的, 此物理学、化学、生物学等客观规律就构成了设计中的原理域。

2.2.3设计原理解也就是通常说的方案解, 主要通过一定的结构方式实现给定功能。

在本文基于特征的设计体系中, 方案解就是设计特征的组合。

从图中可以看到整个概念设计流程主要由计算机完成的设计要素串成, 形成设计的一条基本思维主线, 但这并不表示设计过程可以由计算机完全自主的智能化完成, 同时应该看到计算机完成的每一步设计要素基本上都离不开人的分析、选择或决策, 人所完成的设计要素对设计过程的整体进程和每一步的中间或最终结果都起着决定性作用, 因此, 应设法在每一个必要坏节对人所完成的设计要素进行设计思维进程的提示和帮助, 这将极大的减轻设计者的记忆负担并引导设计者进行正确的思维。

3 基于设计特征的产品信息模型

3.1 设计特征的内容分类

形成产品 (或其部件) 的特征包含几何特征、工程特征和语义特征三大内容。考虑到概念设计阶段各属性的主次性、原型系统内部数据结构的模块化, 以及对整个产品设计阶段的通用性, 对特征的内容重组分为功能特征、原理特征、属性特征、布局特征 (LayoutFeature, 记为LF) 、构造方法和规则集合。

功能特征:包括功能名、功能描述等信息。

原理特征:包括原理名、原理描述、所需功能等信息。

总体特征:包括特征名、标识符、材质、色彩、表面肌理、装饰以及特征的工艺、管理信息等总体信息。

形状特征:包括大小、位置、方向等几何信息, 用以描述该组件特征的形状参数和定位参数。

人机特征:包括与组件相关的人体部位、受力、舒适程度等分析数据, 用以表征某一特征在宜人性方面的表现。

布局特征:包括面向布局设计的工程特征和语义特征, 以作为布局的设计约束和专家系统的推理条件。

规则集合主要包括一些设计过程中用到的推理规则。

3.2 用特征表示的产品结构模型

特征是一个跨越了产品级和部件级的单位, 在广义上来讲, 产品本身也是一个DF, 它的内容就是组成产品的所有DF的总和, 而对于组成产品的每一个组件也是一样。组件的基本成分也是DF, 这样, 我们以树形方式, 来表达一个产品信息的层次结构, 如上图所示。

4 约束驱动的机械产品初步布局方案设计

换句话说, 布局设计就是针对设计特征, 找出一种配置方式, 使其满足一定的约束条件。在这个过程中, 有两个变数, 一个是设计特征的空间排列, 另一个是设计特征尺寸。布局设计的过程, 就是确定这两个变数的过程。

在概念设计的布局阶段中, 我们采取了一种自上而下 (Top-down) 的设计思想即首先确定组成这个产品的各个组件, 在产品级对这些组件布局求解, 得到总体的规划, 然后不同的设计师或一个设计师在不同的时候针对每一个组件再作细化的设计。有些组件是仍然是组合体, 这里, 可以再用这样的方法, 对于把组件当成一个产品, 这时对组件的设计, 又包含了对其进行布局设计和详细设计。

5 系统的简介

该系统的功能主要包括:需求分析模块, 方案设计模块, 方案评价模块, 参数化基础图形设计模块, 数据管理模块, 与其它系统集成接口模块。

6 系统的实现

该原型系统是在微机上, 在WindowsXP环境下, 利用V C++和SQL来实现的。C++是一种面向对象的程序设计语言, 具有较好的抽象性、封装性、继承性和多态性。

原型系统的命令菜单, 其中包括知识库建立、需求分析、功能建模、初步设计、详细设计、方案评价、文件的存取等。通过这些命令操作, 实现相应的系统功的功能。

7 总结

以上分析了概念设计的内涵以及研究现状, 建立了一种基于设计特征的机械产品概念设计过程模型。由于设计特征所含信息的全面性, 建立并着重分析了基于设计特征的产品信息模型。针对该信息模型, 提出了约束驱动的机械产品初步布局设计问题。基于以上问题, 开发了一个原型系统。

参考文献

[1]钟志华, 周彦伟, 现代设计方法, 武汉工业大学出版社, 2001年

机械建模 篇5

高速磨削是现代机械切削加工领域应用较多的精密加工方法,要实现高质量和高效率的磨削, 高速磨床是非常重要的机械装备[1,2]。相比其他类型的机床设备,高速磨床是一个比较复杂的动态系统,为了使高速磨床具有较好的磨削效率、磨削精度与质量及较理想的磨削表面完整性,高速磨床应该具有良好的刚度、足够的可靠性及精度稳定性、精确的可控性和友好的可操控性,高速磨床整机及关键功能部件的设计、制造等环节对磨床的性能极为重要。高速磨床结构复杂,其机械结构组成包括床身、工作台、主轴、主轴箱、拖板、 头架和尾架等部分,设计过程涉及的结构参数众多,而且当今激烈的市场竞争要求机床制造企业能高速高质量推出新产品,这些因素要求我们在高速磨床设计过程中能建立起贯穿磨床整个生命周期的可随时方便而快捷修改的产品信息模型, 而机械结构实体参数化建模可以满足这种需求。 参数化建模的本质是建立图形约束与结构尺寸参数及几何关系的对应关系,由几何尺寸参数值的改变控制机械结构实体模型的变化,适用于机械整体外形结构没有太大变化但局部参数需要调整的场合,用一组尺寸参数建立图形约束,通过参数驱动快捷地实现改变机械结构形状的目的[3],目前国内 外参数化 建模研究 已经取得 了很多成 果[4,5,6]。计算机技术及计算机辅助产品信息建模技术的发展使对高速磨床的机械结构实体进行变量化/参数化建模成为可能。

本文利用特征建模和参数化建模技术建立高速磨床三维实体模型,磨床各部件间的结合部采用假想材料法,通过不断修改假想材料的特性参数(刚度和阻尼系数等)使得模态实验结果和有限元分析 结果相符 合。 最后利用MSC.Patran/ Nastran软件对参数化机械结构实体模型进行有限元模态分析。

1机械结构建模与分析的子结构法

对高速磨床的复杂组合机械结构进行动态建模、动力学分析和动态设计时,自由度通常高达上万至数十万,计算量极大,无论是实验还是计算分析都是一项十分艰巨的任务,一般需要对自由度进行缩减,动态子结构法是目前应用较多的缩减自由度的方法。该方法的特点是人为地将一复杂的整体机械结构拆分为若干个子结构,随后对这些子结构分别进行动力学分析计算与实验,得到子结构的模态特性,最后利用各子结构间的位移协调条件将子结构特性进行连接综合而得到整体结构的模态特性。动态子结构法具体步骤与方法叙述如下。

(1)分割。将整体结构人为地分割为多个子结构,不失一般性,这里考虑将整体分割为两个子结构。

(2)子结构模态分析及第一次坐标变换。设子结构的运动方程为

该方程可写为

式中,xi为非界面物理坐标;xj为界面物理坐标;fj为激振力;m、k、f分别为子结构的质量矩阵、刚度矩阵和激振力矩阵。

系统作自由振动时激振力为0,由式(2)可得到子结构自由振动方程:

解其特征值问题可得到子结构系统的主模态集фN,主模态集通常是将高阶模态截断后的低阶模态集。求出子结 构的约束 模态集фC,令模态矩阵

将ф作为变换矩阵进行子结构坐标变换:

式中,P为子结构模态坐标。

将子结构运动方程变换到模态坐标P上,有

式中分别为子结构在模态坐标下的质量矩阵、刚度矩阵和激振力矩阵。

(3)建立系统方程及第二次坐标变换。不失一般性,这里考虑A和B两个子结构的连接。先建立尚未 连接的整 个结构在 模态坐标 下的运动 方程:

即

因为连接界面上已经满足力平衡条件,故只需要考虑位移协调条件。子结构刚性连接,位移协调方程为xjA=xjB,即PjA=PjB,取系统广义坐标为

没有连接的非独立坐标P和广义坐标q之间的关系可写为

即

联立式(8)和式(10),把式(8)变换到广义坐标上,即得到已连接系统的振动方程:

解式(12)即可求得整体结构系统的固有频率和振型。再通过式(5)和式(11)经两次坐标变换, 即可得到以物理坐标表达的振型参数。

2高速磨床机械结构实体参数化建模

作为精加工用的高速磨床,其整体性能受到组合机械结构的影响,特别是起支撑作用的床身和工作台部分及回转主轴的动态性能尤为重要, 因此研究高速磨床组合机械结构的参数化建模对于提高磨床性能和缩短磨床研发周期具有很重要的意义。组合结构的参数化建模一般比较困难, 本文采用动态子结构法先建立各构件的众多子结构,分别对各子结构进行参数化建模,并通过实验模态分析修正子结构有限元模型,然后在已建立的正确的子结构有限元模型的基础上把众多子结构有限元模型连接起来组成高速磨床整体有限元模型,各结合部特性参数用模态实验分析数据进行修正。我们将高速磨床的床身、工作台、主轴等七大主要结构件各作一个子结构,对各个子结构建模时又将其拆分为若干个子结构,经过层层分解的高速磨床机械系统结构层次如图1所示。

高速磨床的床身是磨床最笨重的机械结构, 通常设计目标是保证其具有良好的振动特性及支撑稳定性,床身一般是铸造箱体结构,其形状结构较复杂,在对其进行参数化建模时,通常忽略掉对整体模态影响不大的细小结构(如孔、突起等),按其功能和结构尺寸将床身拆分为导轨、加强隔板和床身本体等部分,每部分还可分拆为多个独立的小结构,对每个独立结构以其结构尺寸为驱动参数利用Pro/E软件进行参数化实体建模,组合起来即是床身的参数化实体模型,如图2所示。

主轴是磨床的另一重要零件,装有磨削砂轮, 其转速高达每分钟上万转。在对主轴进行实体参数化建模时,考虑到主轴为一阶梯状长杆件,影响其动态特性的几何参数主要是主轴各段的长度和直径,在建模时按各段功能的不同分为五部分,其中与砂轮连接部分的尺寸不可改变。忽略轴上的螺纹和退刀槽,以各段的长度和直径为驱动参数快速建立起主轴的简化参数化实体模型,如图3所示。

用同样的方法可建立工作台、主轴箱、拖板、 头架和尾架等其他主要零部件的参数化实体模型。最后把各零部件装配起来即得到整机参数化实体模型,如图4所示。

3基于假想材料的高速磨床结合部模拟技术

对高速磨床进行有限元模态分析时,磨床各构件的结合部动力学参数(结合刚度和阻尼等)的识别比较困难,而且这些参数对磨床动力学建模的准确性影响很大。磨床构件结合部(主要是导轨部分)的作用机理一般比较复杂,影响因素也很多,如材料、表面粗糙度、润滑条件、结合部平面度等,到目前为止暂无精确的理论计算方法,采用实验方法对其直接测量亦很困难。本文采用了基于假想材料的结合部模拟技术,在对磨床导轨结合面建立有限元模型时,先假想一材料模拟结合部的接触状态,结合部参数根据文献[7]临时选定, 完成模拟状态下的有限元模态分析。然后对实际结合状态下的磨床实物进行模态测试,根据测量结果和有限元分析结果的差异对结合部参数作适量微调,通过改变假想材料的物理特性来调整磨床导轨结合部的连接特性参数,直至测量结果和分析结果接近或相等,这时对应的结合部有限元模型即我们所需要的正确模型。实验表明用该方法可以建 立正确、可信的高 速磨床整 机动力学 模型。

4高速磨床有限元模态分析

本文采用MSC.Patran/Nastran软件对高速磨床机械结构进行有限元模态分析。首先基于动态子结构法利用三维软件Pro/E建立起高速磨床零部件和整机的机械结构实体参数化模型并生成Parrasolid通用模型 格式文件,然后导入 至MSC.Patran有限元软件完成模态分析前期处理工作,最后利用MSC.Nastran软件完成模态计算分析。高速磨床床身、主轴以及床身-工作台组合结构的模态计算分析结果如表1所示。

Hz

5模态实验测试

实验采用LMS公司的Test.lab数据采集系统和分析软件,利用一点激励、多点测量响应的方法(SIMO),由polymax模态参数识别方法进行实验数据分析。测试主轴时,对主轴轴颈部位的静压支承作了简化,认为此处为刚性支承,用固定在实验台上的比较厚重的支承座代替静压轴承支承主轴轴颈,主轴质量相对实验台很小,把实验台近似认为刚性。主轴测试实验采用锤击法激振, 床身测试实验采用HEV-500激振器激振,图5为布置好了测试传感器的磨床主轴,实验结果见表2。

Hz

模态分析结果和实验结果非常接近,分析误差如表3所示。

%

6结论

(1)基于动态子结构法建立起了高速磨床各零部件和整机的参数化实体模型,为复杂机械结构的快速建模提供了一种实用的方法。

(2)高速磨床机械结构比较复杂,其结合部动力学参数(结合刚度和阻尼等)的识别比较困难, 本文采用基于假想材料的结合部模拟技术,很好地解决了这一问题,可借鉴用于其他复杂机械设备动力学分析时的结合部动力学参数识别。

柔性机械臂动力学建模与振动分析 篇6

关键词：柔性机器人连杆,动力学模型,模态截断,振动,弹性变形

柔性机器人具有操作速度快、能量消耗少、构件紧凑、载荷质量比大等优点。但是, 由于其连杆弹性变形, 容易产生高频弹性振动, 且其末端运动往往偏离较大。

近年来, 柔性机器人连杆的弹性振动问题十分突出。例如空间站航天器的柔性附件在展开过程中诱发的振动可使航天器的姿态失稳, 为避免造成大的振动而使得展开过程达6-8小时。柔性边杆在产生弹性振动时, 能导致后续执行动作的精准度产生较大误差, 从而使执行速度减慢, 甚至使结构产生过早的疲劳破坏。

对柔性机器人连杆振动分析必须首先建立一个动力学模型。在柔性多体系统动力学中, 主要的建模方法有运动-弹性力学法、子结构 (假设模态) 法、浮动参考坐标方法、有限段法、有限元法、绝对节点坐标方程法等。

本文主要分析柔性机器人连杆的弹性振动问题, 首先利用假设模态法和Lagrange方程建立单个柔性连杆的动力学方程, 然后进行数值仿真, 分析连杆机构参数以及末端集中质量等对其振动的影响。

1 柔性连杆动力学建模

平面内做回转运动的柔性机器人连杆。设Oxy为固连在柔性机器人连杆上的参考坐标系;

l为柔性机器人连杆 (梁) 的长度, h为截面高度;

b为截面宽度;

τ为电机的驱动力矩;

θ为柔性机器人连杆的关节转角。

在对柔性机器人连杆 (梁) 进行动力学建模时, 作Euler-Bernoulli柔性梁假设:

(1) 只考虑横向振动, 忽略其轴向变形和剪切变形等;

(2) 横向振动为小变形;

(3) 柔性机器人连杆 (梁) 的长度远大于其截面尺寸。

设P为任意点, w (x, t) 为Ox轴上离P点t时刻的横向弹性变形。则均匀材料等截面梁弯曲自由振动微分方程为

式中:

ρ为材料密度;

A为截面积;

E为材料的弹性模量;

I为柔性机器人连杆的截面惯性矩。

曲自由振动微分方程式 (1) 的解可表达为:

式中:为对应的模态坐标;

为振型函数。

实际应用中, 一般写成如下形式:

式中:N为所取的前N阶模态阶数。式中

是相应的广义坐标;

n是截断项数。

所以柔性臂的动能:

在水平面内运动, 其势能仅由弹性变形产生。弹性势能为:

根据Hamilton原理, 可以得到下列Lagrange方程:

将上述所求得的系统的动能和弹性势能代入Lagrange方程, 同时进行线性化处理, 可得柔性机器人连杆的动力学模型

则系统动力学方程为:

采用同样的原理可以导出带有末端集中质量的柔性机器人连杆的动力学方程与上式相同, 其中有关矩阵元素的表达式变为

采用Rayleigh粘性比例阻尼模型引入系统阻尼, 即, 式中, α和β为Rayleigh组尼系数。

2 数值仿真

设柔性机器人连杆为等截面矩形梁, 其材料为铝, 单杆柔性机器人连杆结构参数:柔性臂密度:2.7×103kg m3;弹性模量×惯性矩为300N/m2;截面宽为:30mm;截面高为:3.42mm;柔性臂长为1m;端部质量:0.1kg;转动惯量:0.8kg·m2。柔性臂的一端连接在电机的转轴上, 另外一端有集中质量块, 柔性臂加载的力矩为τ=1-t (0≤t≤2) 。

仿真分析结果如下。

(1) 模态截断阶数的影响分析

从理论角度来说, 柔性机器人连杆的动力学模型是连续的。实际上, 柔性机器人连杆振动的离散化动力学方程, 模态阶数取得越多, 其结果就越与实际情况相近似, 而这在实际应用中是不必要的。仿真结果的差异随着系统模态阶数增加而减小, 一阶与其它阶数模态间误差差距较大。为节省计算所造成的资源浪费, 同时还要保障误差符合预定的要求, 因此, 取系统的前3阶模态即可。

结构参数对柔性机器人连杆振动特性的影响:当加载力矩方式不变, 改变柔性机器人连杆的结构尺寸。可以看出柔性机器人连杆的动力学特性对截面高度很敏感。适当增加截面高度, 可有效抑制柔性机器人连杆的振动。

(3) 末端集中质量对柔性机器人连杆振动的影响:当加载的力矩不变, 连杆材料和结构参数不变, 当集中质量后, 柔性机器人连杆的弹性变形增大, 振动加剧, 集中质量越大, 柔性机器人连杆的振动越大。

结语

柔性机器人由于其连杆弹性变形, 容易产生高频弹性振动, 且其末端运动往往偏离较大。性机器人连杆的弹性振动问题, 首先利用假设模态法和Lagrange方程建立单个柔性连杆的动力学方程, 然后进行数值仿真, 分析连杆机构参数以及末端集中质量等对其振动的影响。柔性机器人连杆取一阶弹性模态与截取三阶弹性模态, 当加载的力矩不变, 连杆材料和结构参数不变时, 仿真得到了末端集中质量对柔性机器人连杆的弹性变形发生变化, 集中质量越大, 连杆振动越剧烈。

参考文献

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[2]洪嘉振, 蒋丽忠.柔性多体系统刚柔耦合动力学[J].力学进展, 2000, 30 (1) :17.

机械建模 篇7

传统机械制图教学存在的问题

《机械制图》是工科院校的一门专业基础课, 其主要任务是学习正投影法的基本理论, 熟悉国家制图标准的相关规定, 培养学生的空间想象能力和空间分析能力, 使学生掌握绘制和阅读工程图样的基本方法和技能, 这些是工程技术人员从事产品设计、开发、生产等工作不可缺少的。但由于《机械制图》课程通常在一年级开设, 学生没有金工实习经历, 普遍缺乏实践经验, 课程本身具有抽象、难懂的特点, 很多学生学习起来很困难。在传统教学中, 教师为培养学生的空间想象能力, 提高教学效果, 上课时会带一些木制模型或挂图, 以增强学生对图形所对应形体的感性认识和了解, 但是, 传统模型的体积和重量较大, 教师携带不便, 模型的数量和种类也是有限的, 无法随着教学内容的变化而随意修改, 而且这些模型通常形体比较简单, 对于复杂形体而言, 制作模型的成本太高, 也不可能按照教学的需要随意做到从中间剖切。利用一些三维建模软件, 这些问题可以迎刃而解。

三维建模技术

机械制图研究的对象是工程图样, 是用一组平面图形表达三维形体。长期以来, 工程图样都是工程技术人员指导生产、进行技术交流的一个重要工具, 也为人类生产、生活水平的提高做出了很大贡献。工程图样的优点是度量性好, 但是直观性较差, 必须经过专业的训练才能读懂和绘制。传统的方法是, 设计者在大脑中先构建出产品的立体模型, 然后绘制出其二维工程图样表达其设计理念, 经不断修改和完善后, 再通过加工将其立体制作出来。随着科技的发展和计算机应用的普及, 人们逐渐采用CAD技术, 用计算机绘图代替手工绘图, 提高绘图速度及精度, 但此时依然是二维绘图, 设计方法从本质上说依然是与手工绘图一样的, 计算机只是起到了一个绘图工具的作用。随着计算机运算速度的不断提高, 计算机的应用也从最初的帮助人们绘制图样发展为三维建模, 设计方法在本质上发生了改变。三维建模是直接在三维环境下进行设计, 以三维立体图形直接表示空间形体, 这样不仅能够更直接、全面地反映设计者的设计思想, 提高设计质量和效率, 而且所建立的三维模型结合其他CAM、CAE软件, 还能进行后续的加工仿真、装配仿真、数控加工编程等工作。

三维建模技术在近几年得到了大力发展和广泛应用。如今, 应用广泛的三维建模软件有很多, 如CATIA、UG、Pro/Engineer、Solid Works、Solid Edge等等, 在机械、航空航天、船舶、电子、建筑、汽车等各个领域均有应用。

三维建模技术在教学中的应用

应用三维建模软件, 可以方便快捷地建立物体的三维模型, 向学生演示。对这些模型的材质和光源可以进行渲染, 使其具有与真正零件相同的真实感;利用旋转命令可以从不同的角度对形体进行观察, 还可按照教学需要在课堂上进行一些处理。例如, 在讲解截交线、相贯线时, 可以动态地演示截切与相贯的过程和变化, 将立体表面的交线修改成其他的颜色, 着重表示或者从立体上提取出来, 加强学生对其形状的了解, 也可利用三维建模软件的参数化功能, 修改立体的尺寸或相对位置, 观察截交线、相贯线发生了哪些变化;组合体是由基本立体通过叠加或切割组成的, 对于叠加式的组合体, 可以利用形体分析法分析组合体是由几部分组成的, 分别建立各部分的实体模型, 通过三维实体的布尔运算进行组合;对切割式的组合体, 上面的一些图线学生理解较困难, 可以在课堂上演示其切割顺序, 让学生看到一步步的过程, 加深对形体的理解, 更清楚地看到每步切割后, 立体表面上会多出哪些图线;在讲解剖视图时, 可以在课堂上构建完整的立体, 再演示选择合适的剖切平面对形体进行各种剖切, 让学生清楚地看到零件的内部结构以及剖切面后方的可见部分, 更清晰地了解各种表达方法, 更好地区分全剖、半剖、局部剖、阶梯剖、旋转剖等;对于学生而言, 装配图是很难掌握的一部分内容, 对此也可以借助三维建模软件分别建立各零件的模型, 并可根据不同的位置和装配约束关系组装成部件, 使学生深入了解各零件间的装配关系, 还可以将装配好的部件进行爆炸式分解, 进一步展示各零件的相对位置和装配关系, 同时可利用三维建模软件的动画功能生成动画, 使学生更好地了解部件的工作原理、装拆顺序, 提高学生画图与读图的能力。

很多三维建模软件具有从三维模型生成二维工程图的功能, 在讲解正投影法时可以演示, 加深学生对三视图形成的理解。

零部件测绘是机械制图教学中一个重要的实践环节, 是前面所学知识的综合。在此环节中, 也可以用三维建模软件为学生介绍零部件的工作原理、装拆顺序等。

三维建模软件制作的模型精度高、形象逼真、色彩丰富, 可以及时根据教学内容的调整方便快捷地进行修改, 满足教学中对模型种类及数量的需要, 达到降低成本、提高教学质量的目的。

UG软件是美国EDS公司开发的面向制造业的CAD/CAM/CAE大型集成软件, 具有强大的三维建模、数控加工编程、运动分析等功能。图1~图3是用UG软件的CAD功能制作的几个典型的三维模型。

利用这些软件在课堂上现场演示, 一方面, 可以加强教师与学生的交流, 使抽象的问题具体化, 加深学生对课堂知识的理解和掌握, 有利于激发学生的观察力、想象力;另一方面, 还可以提高学生对本课程的学习兴趣, 使学生养成独立思考的习惯, 逐渐提高学生的空间想象能力和空间分析能力, 大大提高教学效率, 并为后续的CAD/CAPP/CAM课程打下良好的基础。

利用三维模型的直观性、形象性、易修改等特点, 将三维建模技术与机械制图的教学结合起来, 可以使学生的空间想象能力、空间分析能力得到提高, 可在使学生掌握知识的同时, 实现教师与学生的良好互动, 提高学生的学习效率和积极性, 激发学生的创造力, 有利于培养学生的创新能力, 从而使学生的综合素质得到进一步提高, 使他们能更好地适应社会需要。

参考文献

[1]陈锦昌, 陈炽坤, 刘林, 等.工程制图课程由CG主导式转向三维造型设计改革的思考[J].工程图学学报, 2002 (1) :76-80.

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[3]徐秀娟.运用SolidWorks软件进行《机械制图》教学方法改革的实践[J].陕西国防工业职业技术学院学报, 2006, 16 (2) :27-28.

上下料机械手的总体结构设计及建模 篇8

机械手是工业自动化发展和科技进步的必然产物, 为制造业提供重要的技术装备, 尤其在流水作业的自动化生产线和相对恶劣的环境中, 机械手具有人类所不具有的超精准的定位性能、较高的加工精度、高生产率等优势。

本课题研究的自动化生产线上下料机械手, 具有运动平稳性和连续性, 满足生产线产品质量和生产率的要求, 具体技术参数:手臂升降的最大运动范围500 mm;手臂回转运动的最大范围180°;沿手臂臂长方向的伸缩运动最大范围500 mm;手腕旋转运动的最大角度为180°;手指的开合运动等4个自由度。

1 机械手的整体结构

机械手主要由机体、手臂、腕部、手部等主要部分构成。

机体采用圆形结构, 满足强度和平衡性要求, 通过在其联接支撑板, 承载整个机械手的运动和受力, 是主要受力部件。为满足其强度要求, 在设计中通过有限元分析的手段, 对其进行受力分析, 进行结构优化设计。

手臂的伸缩运动由液压驱动, 通过内壁、外壁的相互配合运动在满足伸缩长度技术要求的前提下, 力求结构尺寸的最小化原则。

手臂的升降运动则通过丝杠、螺母间啮合的相互运动, 将转动变为移动。在结构设计中为保证整机的效率, 在合理设计螺纹结构参数的基础上, 增加双导向平衡装置, 力求运动过程的稳定性, 避免在运动中由于偏置力矩的存在, 导致运动不连续或卡死现象。

腕部采用凸缘式结构, 在执行回转动作时, 凸缘结构外伸, 液压驱动在0°~180°范围内回转。

手部是动作的执行部分, 通过手指的开合运动完成工件的夹持功能。将两个手指在手腕处, 利用铰链式销轴连接, 形成转动副, 通过小臂的伸缩运动带动手指绕其回转销轴, 实现开合运动。本设计手指采用V型块结构, 也可以采用引导式楔角结构、圆弧外抱式结构、直行防滑垫式结构, 可以根据工件的形状和夹持力的大小进行更换, 降低使用成本, 增加其通用性。整体结构如图1所示, 各部分具体结构如图2所示。

该机械手的机身设计成可移动圆形底座式, 这样机械手可以是独立的、自成系统的完整装置, 便于随意安放和搬动, 也可与其它行走装置装配使用, 形成便携式机械手。

考虑稳定性和原动件的驱动电机的安装, 采用在圆形底座上, 通过铰制孔螺纹连接, 半凸缘式空心座套, 其上装配圆形套盖, 在套板上安装支撑板, 形成稳定的机身结构。

2 丝杆的尺寸设计及校核

丝杆是机械手完成升降运动的原动件, 依据刚度条件, 确定丝杆的主要尺寸和参数, 进行稳定性和自锁条件的校验。本课题采用单头梯形螺纹式丝杆, 考虑承载能力和经济性, 采用45钢, 螺母采用整体式铸造青铜, 技术参数如下:d2=37 mm;d1=33 mm;螺距p=6 mm;螺纹的工作高度h=0.5p, h=3 mm;螺纹牙底宽度b=0.65p, b=3.9 mm;丝杠许用强度[σ]=σs/ (3~5) =40 MPa;螺纹牙许用剪切[τ]=35 MPa;螺纹许用弯曲强度[σb]=50 MPa;旋合圈数Z=H/p=15, 剪切强度τ=F/ (πd1b Z) =200×9.8÷ (π×0.033×3.9×15) ×10-3=0.323 MPa<[τ]=35 MPa;弯曲强度σb=3Fh/ (πd1b2Z) =3×200×9.8×3×1 000÷ (π×0.033×3.92×15) =7.46 MPa<[σ]=40 MPa。经校核丝杆强度合格。

3 手部实体建模

采用底层设计的方法, 根据设计零件配合要求, 将生成的零件插入装配体, 生成三维实体模型。

3.1 抓取机构手爪的建模

进入系统的装配模块, 从中选择上手爪零件, 并将其放置于装配界面中, 选择插入零部件按钮, 将V型块调出, 选取两个配合平面, 以同心的两个圆作为配合基准, 完成手指和手掌的装配, 如图3所示。

3.2 手部与腕部机构的装配

在装配模块的对话框中将“腕部连接装配体”、“手部装配体”以及零件“手部驱动油缸”放置在装配界面中, 如图4所示。

在配合管理器中, 选择腕部装配体和手部驱动油缸, 腕部驱动油缸和腕部装配体, 分别确定两个需要配合的基准装配轴曲面, 完成手部与腕部驱动构件的装配, 如图5所示。

3.3 手部实体运动仿真

进入动画制作界面, Motion Management管理器中选择动画向导管理器, 利用旋转运动基准轴、转动方向和旋转循环次数。在时间轴左侧的关系树中选择配合的距离, 完成手部动作的模拟。运动非常直观, 易于修改, 可以及时地发现干涉, 大大减少损失和制造成本, 如图6所示。

4 结语

应用三维实体建模对本课题所设计的上下料机械手整机结构进行实体装配及运动仿真, 检验运动干涉, 在满足运动功能的前提下, 对主要工作部件进行强度校核, 在圆形可移动式底座上装配组合型立板结构可以满足设计技术参数要求。

参考文献

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[9]龙立新.工业机械手的设计分析[J].焊接技术, 1999 (6) :47.

机械建模 篇9

机械结构大都是由各零部件在满足一定的功能、性能等要求情况下组合装配起来的, 它们之间的连接部分称为结合面。结合面分为固定结合面和运动结合面, 固定结合面主要有螺栓结合面、焊接面等, 运动结合面主要有导轨滑块结合面、轴承结合面等[1]。机械结合部的存在会降低机器的刚度和增加阻尼, 进而降低机床的固有频率。工程技术领域中, 机床的模态分析通常使用有限元分析软件获取动态特性参数。

在有限元分析软件中, 结合表面处理的精度将直接影响机床的固有频率。目前在有限元分析软件中处理机床结合面有弹簧阻尼单元法和虚拟材料法。弹簧阻尼单元法通过正确识别出弹簧刚度和阻尼来等效结合面动力学模型, 虚拟材料法通过识别虚拟材料的属性 (即弹性模量、泊松比、密度) 来等效结合面动力学模型。

1 结合面动力学建模

下面以某床身螺栓结合面为例进行结合面动力学建模, 床身用4个M24地脚螺栓与底座联接。

1.1 弹簧阻尼单元法

弹簧阻尼单元法是用弹簧和阻尼构成的动力学模型等效结合面动力特性, 这是一个虚拟的等效模型, 通过弹簧的刚度和阻尼的确定, 即可对结合面之间的关系进行模拟, 如图1所示。

吉村允孝对结合面做了大量研究, 提出了获取机械结合面刚度和阻尼的方法, 即获取实际结合面的刚度和阻尼是对单位结合面的刚度和阻尼的积分[2]。

式中:pn为法向压力;k1 (pn) 为剪切方向上单位接触面积的等效弹簧刚度;c1 (pn) 为剪切方向上单位接触面积的等效阻尼;k2 (pn) 和c2 (pn) 为垂直方向上单位接触面积的等效弹簧刚度和等效阻尼;A为结合面接触面积。

由吉村允孝的经验图[3]与床身结合面的接触面积得到床身螺栓结合面的刚度和阻尼, 如表1所示。

1.2 虚拟材料法

虚拟材料法是将结合面等效为一层虚拟材料, 通过识别虚拟材料的弹性模量、泊松比以及密度来模拟结合面的动力学特性[4], 如图2所示。

虚拟材料的特性, 即弹性模量、泊松比和密度可由以下式得出。

式中:D为分形维数;ψ为分形维数D决定的参数;E′为当量弹性模量;G为分形粗糙度参数;aL为微凸体的最大接触面积;ac为微凸体的临界接触面积;μ′为当量泊松比;E*为无量纲的虚拟材料弹性模量;Gx*为无量纲的虚拟材料切变模量;ρ1、ρ2为两配合表面材料的密度;l1、l2为两配合表面实体的厚度。

由虚拟材料理论计算式 (5) 、式 (6) 、式 (7) 得到虚拟材料的特性, 如表2所示。

2 计算模态分析

通过三维建模软件Pro/E建立机床床身模型, 在不影响其结构设计要求的前提下, 简化床身模型, 如退刀槽、螺纹、倒脚等。然后保存为通用格式文件, 导入有限元软件ANSYS Workbench13.0中进行预处理, 采用Automatic进行网格划分, 接触区域对网格进行细化, 结合面用弹簧阻尼单元法与虚拟材料法这两种方法处理, 建立某床身有限元模型, 如图3所示。床身材质为铸石, 其弹性模量为300 GPa, 密度为2 200 kg/m3, 泊松比为0.2。

2.1 采用弹簧阻尼单元法处理某床身螺栓结合面

将表1结合面刚度和阻尼赋予结合面上相应的弹簧单元, 进行模态分析。得到其对应的前3阶固态频率, 如表3所示。

Hz

2.2 采用虚拟材料法处理某床身螺栓结合面

Hz

将表2虚拟材料的特性赋给结合面上虚拟材料, 进行模态分析。得到其对应的前3阶固态频率, 如表4所示。

3 实验模态分析

为了验证计算模态分析的结果, 采用锤击法对某床身进行实验模态分析, 实验测试框图如图4所示。

3.1 测点布置

根据床身结构尺寸, 即不丢失模态又要反映床身结构特点为原则进行测点布置, 本实验共有108个测点, 如图5所示。

3.2 采样频率

在该实验中, 采样频率为2.56倍的分析频率, 通过预实验中, 采样频率4的加速度传感器应设定在30 Hz, 变时倍数采用4, 其锤击采样频率为1 280 Hz, 此时传递函数较好, 相干性较高。

3.3 实验数据处理

实验模态分析中常用相干系数来判断测试的可靠性, 当相干系数γ不小于0.8时, 即认为传递函数估计是可信的[5]。在本次床身模态实验中, 大部分测点的相干函数都是有效的。图6为41测点处的相干函数曲线。

Hz

3.4 模态试验分析结果

实验数据采集完成后, 对数据进行变时基传递函数分析采用DASP测试分析软件系统, 得到实验固有频率, 如表5所示。

4 螺栓结合面准确度对比分析

%

对比上述用弹簧阻尼单元法和虚拟材料法处理螺栓结合面的计算模态分析与实验模态分析的结果, 如表6所示。

用弹簧阻尼单元法处理螺栓结合面固有频率的相对误差略高于虚拟材料法处理螺栓结合面固有频率的相对误差, 因此, 运用虚拟材料法等效螺栓结合面动力学模型精度更高。

5 结论

通过等效床身螺栓结合面动力学模型, 分别采用弹簧阻尼单元法与虚拟材料法, 将运用有限元软件分析所得的床身固有频率与床身实验模态分析得到的固有频率进行对比, 发现虚拟材料法建模准确性更高。在分析带有螺栓结合面的复杂机械结构时, 虚拟材料法是一种更好的等效螺栓结合面动力学模型的方法, 有助于准确分析整体机械结构的固有频率。

参考文献

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